DE69103734T2 - Kollimierte Anzeigvorrichtung mit einem aussen, axialen, sphärischen Spiegel für einen Simulator. - Google Patents
Kollimierte Anzeigvorrichtung mit einem aussen, axialen, sphärischen Spiegel für einen Simulator.Info
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Description
- Die Vorrichtung bezieht sich auf eine kollimierte Anzeigevorrichtung mit einem von der Achse abweichenden sphärischen Spiegel für einen Simulator.
- Bei den meisten kollimierten Anzeigevorrichtungen mit einem von der Achse abweichenden sphärischen Spiegel für einen Simulator mit einem großen Anzeigewinkel, insbesondere in der horizontalen Richtung, wird das künstliche Bild auf die konkave Seite eines matten Bildschirmes projiziert, der auf der Fokuskugel des sphärischen Spiegels angeordnet ist. Die Lichtausbeute des Bildschirmes beträgt ungefähr 30 bis 40%, was zum Erzielen von kontrastreichen und realistischen angezeigten Bildern als unzureichend betrachtet werden kann, insbesondere im Falle einer Anzeige mit einem sehr großen Winkel (wenigstens 180º in der horizontalen Richtung und über 40º in der vertikalen Richtung), bei der die zu beleuchtende Fläche sehr groß ist.
- Es sind Anzeigevorrichtungen für Simulatoren bekannt, bei denen die Lichtausbeute höher ist, z. B. aus der Veröffentlichung US-A-4 348 187, jedoch ist das horizontale und vertikale Sehfeld sehr begrenzt. Außerdem ist es aufgrund der Konfiguration der optischen Elemente unmöglich, das horizontale Sehfeld zu vergrößern.
- Es sind auch Vorrichtungen bekannt, z.B. die in der in den Prioritätszeitraum fallenden Veröffentlichung EP-A-461 942 (Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) des EPÜ) beschriebene, bei denen an dem Helm des Simulatorbenutzers der Bildschirm mit hoher Ausbeute befestigt ist, um einen interessierenden Bereich anzuzeigen. Diese bekannten Vorrichtungen sind einem sphärischen Bildschirm zugeordnet, um eine Anzeige mit sehr großem Winkel und einer geringen Auflösung sowie einer noch geringeren Lichtausbeute zu haben.
- Die vorliegende Erfindung hat eine kollimierte Anzeigevorrichtung der oben genannten Art zum Ziel, deren Lichtausbeute deutlicher höher ist als die der bekannten Vorrichtungen, ohne daß diese deshalb teurer wird.
- Die kollimierte Anzeigevorrichtung der Erfindung ist eine Projektionsvorrichtung, die mit einem von der Achse abweichenden sphärischen Spiegel um eine Simulatorkabine herum sowie mit einem sphärischen Bildschirm zusammenwirkt, der auf der Fokuskugel des Spiegels angeordnet ist, wobei die Projektionsvorrichtung die dem Spiegel gegenüberliegende Seite des Bildschirmes beleuchtet, wobei diese Seite des Bildschirmes vorteilhafterweise seine konvexe Seite ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Projektionsvorrichtung ungefähr oberhalb des Beobachters befestigt und beleuchtet einen oberhalb des sphärischen Spiegels angeordneten Hilfsspiegel. Vorteilhafterweise ist der Hilfsspiegel die Verlängerung des sphärischen Spiegels.
- Die vorliegende Erfindung wird besser durch das Lesen der ausführlichen Beschreibung mehrerer Ausführungsformen verstanden, die als nicht einschränkende Beispiele gewählt sind und von den beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In diesen zeigen:
- - Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Anzeigevorrichtung des Standes der Technik;
- - Fig. 2 ein vereinfaches Schema einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung;
- - Fig. 3 ein Schema einer ersten Ausführungsform einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung; und
- - die Figuren 4 und 5 Schemata in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung.
- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen Zivilflugzeugsimulator beschrieben, sie ist jedoch selbstverständlich nicht auf eine solche Anwendung beschränkt, und sie kann in jedem Projektionssystem mit sehr großem Winkel verwendet werden, z.B. in einem Simulator oder einem beliebigen Gerät, welches eine Projektionsvorrichtung benötigt.
- Die vereinfacht in Fig. 1 dargestellte Anzeigevorrichtung enthält eine Projektionsvorrichtung 1, im allgemeinen mit drei Projektoren, die im wesentlichen oberhalb der Kabine 2 angeordnet ist, in welcher der den Simulator verwendende Beobachter Platz nimmt. Die Projektionsvorrichtung 1 beleuchtet die konkave Seite eines transparenten sphärischen Zerstreuungsbildschirmes 3. Das auf der konvexen Seite des Bildschirmes 3 gebildete Bild wird vom Spiegel 4 zum Auge 5 des Beobachters zurückgeworfen. Die Lichtausbeute einer solchen Vorrichtung ist sehr gering aufgrund der Tatsache, daß ein nicht vernachlässigbarer Teil des Lichtstroms zur Projektionsvorrichtung zurückgeworfen wird und daß der Bildschirm nicht mit einer Richtcharakteristik versehen werden kann.
- Die vereinfacht in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung der Erfindung ermöglicht, die Lichtausbeute wesentlich zu erhöhen. In dieser Fig. 2 sind zu Elementen von Fig. 1 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß der Erfindung ist der sphärische Spiegel 3' lichtundurchlässig, und er ist auf seiner konvexen Seite (die zum Spiegel 4 gerichtete Seite) reflektierend. Die konvexe Seite des Spiegels 3' wird von der Projektionsvorrichtung 6 beleuchtet. Es ist vom optischen Standpunkt gesehen selbstverständlich nicht unmöglich, die Projektionsvorrichtung gegenüber der konvexen Seite des Bildschirmes 3' anzuordnen, dies zieht jedoch einen voluminösen Befestigungsträger der Projektionsvorrichtung mit einem langen Hebelarm nach sich, an dessen Ende die große Masse der Projektionsvorrichtung (eine Masse von wenigstens mehreren hundert Kilogramm) befestigt wird.
- Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die Projektionsvorrichtung oberhalb der Kabine befestigt, und sie beleuchtet einen Hilfsspiegel, der oberhalb des Spiegels angeordnet ist, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3 bis 5 beschrieben.
- Da der Bildschirm 3 als Reflektor verwendet wird, da er immer die Lichtbündel der Projektionsvorrichtung zum sphärischen Spiegel 4 reflektiert und da alle diese Elemente aneinander befestigt sind, verwendet man vorteilhafterweise einen Bildschirm mit "Verstärkung", also einen Bildschirm mit bevorzugter Reflexionsrichtung, was insbesondere im Falle eines Simulators mit einem einzigen Benutzer möglich ist und ermöglicht, die Lichtstärke der Anzeigevorrichtung weiter zu erhöhen.
- In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform der Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Projektionsvorrichtung 7 ist an einem Träger 8 befestigt, der wiederum an der Kabine 9 des Simulators bezüglich des Mittelpunktes 11 des sphärischen Spiegels 12 in einer zum Auge 10 des Benutzers im wesentlichen symmetrischen Position befestigt ist. Der sphärische Bildschirm 13 ist unterhalb der Projektionsvorrichtung 7 angeordnet. Man befestigt direkt oberhalb des sphärischen Spiegels 12 einen zylindrischen oder sphärischen oder ebenen Spiegel 14. In dem Fall, daß der Spiegel 14 sphärisch ist, kann er vorteilhafterweise die Fortsetzung des sphärischen Spiegels 12 in der Weise sein, daß die Lichtbündel der Projektionsvorrichtung 7 zum Bildschirm 13, dann zum sphärischen Spiegel 12 und schließlich zum Auge 10 des Benutzers zurückgeworfen werden.
- Die Anzeigevorrichtung von Fig. 3 erfordert, daß die Optik der Projektionsvorrichtung 7 modifiziert wird, um die Projektion auf die konvexe Fläche des Bildschirmes 13 zu gewährleisten.
- In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Zu Elementen von Fig. 3 gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Hauptunterschied liegt in der Tatsache, daß die Projektionsvorrichtung 7 bezüglich des Mittelpunktes C des sphärischen Spiegels 15 in einer zum Auge 10 des Benutzers symmetrischen Position befestigt ist. Der obere Teil des Spiegels 15 wird direkt von der Projektionsvorrichtung 7 beleuchtet, während sein unterer Teil die vom Bildschirm 13 reflektierten Bündel empfängt.
- Die Projektionsvorrichtung 7 ist so eingestellt, daß sie ein im Unendlichen liegendes Bild bildet.
- In Fig. 4 ist in gestrichelten Linien die hintere Extremposition der Anzeigevorrichtung dargestellt, die um eine fiktive horizontale Achse geschwenkt wurde, welche senkrecht zur Ebene der Figur liegt und durch den Beobachtungspunkt 10 führt. Ein solches Schwenken der gesamten Anzeigevorrichtung ermöglicht, das vertikale Sehfeld des Benutzers zu erhöhen. Dieses vertikale Sehfeld kann auf diese Weise eine Größe von ungefähr 130º besitzen (-40º bis +90º bezüglich einer durch den Beobachtungspunkt 10 führenden horizontalen Ebene). Man kann auch die Anzeigevorrichtungs-Gruppe um eine fiktive vertikale Achse drehen, die durch den Punkt 10 führt. Das horizontale Sehfeld kann auf diese Weise eine Größe von ungefähr 300º besitzen. Diese beiden Drehungen der Anzeigevorrichtungs-Gruppe können in einer an sich bekannten Weise von den Bewegungen des Kopfes des Benutzers gesteuert sein. Man erhält auf diese Weise eine Kombination eines kollimierten Bildes und eines interessanten Bereiches, die von der Position des Kopfes des Benutzers gesteuert ist, was für den Benutzer realistischer ist, der auf diese Weise den Eindruck einer Bildtiefe hat. Die Angezeigevorrichtung ermöglicht auf diese Weise, einem Benutzer, z. B. einem Flugzeugpiloten, quasi das gesamte reelle Sehfeld anzubieten. Selbstverständlich kann auch die Anzeigevorrichtung von Fig. 3 in gleicher Weise wie die Vorrichtung von Fig. 4 vertikal und/oder horizontal gedreht werden.
- Die Projektionsvorrichtung 7 kann von jedem geeigneten Typ sein, insbesondere vom Typ mit drei Projektoren 7A, 7B, 7C, wie in der Zeichnung dargestellt. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann man die Außenprojektoren 7A, 7C an den Mittelprojektor 7B heranrücken, und man kann Umlenkspiegel 7.1, 7.2 verwenden. Diese Umlenkspiegel sind vertikal so angeordnet, daß jeder Projektor ungefähr 1/3 des horizontalen Feldes beleuchtet (horizontale Felder CA, CB, CC für die Projektoren 7A bzw. 7B bzw. 7C). Die Projektoren können LCD-Projektoren sein, Projektoren mit einer lichtstarken Röhre, etc. ...
- Aufgrund der Tatsache, daß der Winkel der vom Bildschirm 13 reflektierten Strahlen gleich ihrem Einfallswinkel ist sowie für den Fall, daß der Simulator für einen einzigen Beobachter ausgelegt ist, kann der Bildschirm 13 ein Bildschirm mit "hoher Verstärkung" sein, z. B. mit einer metallischen Beschichtung, der in der Reflexionsrichtung einen Lichtverstärkungsfaktor von ungefähr 3 bis 5 besitzt. Der Durchmesser dieses Bildschirmes kann vorteilhafterweise in der Größenordnung von 1,25 bis 1,5 m, sein vertikales Feld bei ungefähr 60 bis 80º und sein horizontales Feld bei ungefähr 180º oder mehr liegen.
- Die Verwendung eines Bildschirmes mit Verstärkung ermöglicht im Vergleich zu der Lösung des Standes der Technik mit einem matten Bildschirm das Multiplizieren der Lichtstärke des vom Beobachter betrachteten Bildes mit ungefähr 9 bis 15.
- Die Spiegel 12 und 14 oder der Spiegel 15 können vorteilhafterweise aus Verbundkunststoffschichten gebildet sein, was den Vorteil besitzt, daß sie leicht sind. Ihr Radius kann in der Größenordnung von 2,5 bis 3 m für den Spiegel 15 und 3 m bis 3,7 m für die Spiegel 12 und 14 liegen, und ihr horizontales Feld kann 180º und mehr betragen. Für den Spiegel 12 kann das vertikale Feld ungefähr 40 bis 50º betragen, und der zylindrische Spiegel 14 weist ein horizontales Feld von ebenfalls ungefähr 180º sowie ein vertikales Feld von ungefähr 20 bis 25º auf. In der Vorrichtung von Fig. 4 weist der Spiegel 15 ein vertikales Gesamtfeld von ungefähr 110 bis 150º auf (bezüglich einer durch den Beobachtungspunkt 10 führenden horizontalen Ebene), wobei das vom Beobachter gesehene vertikale Feld ungefähr 60 bis 80º (unterer Teil des Spiegels) und das von der Projektionsvorrichtung 7 beleuchtete vertikale Feld ungefähr 60 bis 80º beträgt. Diese Vergrößerung des vertikalen Feldes ist aufgrund der Tatsache möglich, daß die vom sphärischen Bildschirm reflektierten Strahlen bezüglich der Senkrechten zum Bildschirm in ihrem Auftreffpunkt auf diesen Bildschirm sehr schräg einfallen können, ohne daß ein merklicher Lichtverlust des vom Beobachter betrachteten Bildes auftritt. Für den Fall, daß es nur einen Beobachter gibt, dessen Auge in der Nähe des sphärischen Spiegels ist, kann das vertikale Feld die größten oben genannten Werte annehmen, da in diesem Falle die Kollimationsfehler und die "Dipvergenzen" im Vergleich zu denen einer herkömmlichen Anzeigevorrichtung mit großem Winkel und zwei Beobachtern vermindert sind.
- Selbstverständlich muß die Optik der Projektoren in der Lage sein, die Aberrationen der Sphärizität und den Astigmatismus des von der gemäß der Erfindung angeordneten Projektionsvorrichtung beleuchteten sphärischen Spiegels zu korrigieren.
Claims (8)
1. Kollimierte Anzeigevorrichtung für einen Simulator,
enthaltend eine Projektionsvorrichtung, die mit einem von der
Achse abweichenden sphärischen Spiegel um eine
Simulatorkabine herum sowie mit einem sphärischen Bildschirm
zusammenwirkt, der auf der Fokuskugel des Spiegels angeordnet ist,
wobei die Projektionsvorrichtung (7) die dem Spiegel (12,
15) gegenüberliegende Seite des Bildschirms (13) beleuchtet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Tatsache, daß die beleuchtete Seite des Bildschirms seine
konvexe Seite ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
die Tatsache, daß der Bildschirm ein Bildschirm mit
"Verstärkung" ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die
Projektionsvorrichtung ungefähr oberhalb des Beobachters (10) befestigt ist
und einen oberhalb des sphärischen Spiegels angeordneten
Hilfsspiegel (14) beleuchtet.
5, Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die
Tatsache, daß der Hilfsspiegel die Verlängerung des
sphärischen Spiegels (15) ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Tatsache, daß sie durch die
Bewegungen des Kopfes des Beobachters gesteuert wird.
7. Simulator, der mit einer Anzeigevorrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die
Tatsache, daß die Projektionsvorrichtung (7) in einer
bezüglich des Mittelpunkts C des sphärischen Spiegels (15) zum
Auge (10) des Beobachters symmetrischen Position befestigt
ist.
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